lí thuyết môn truyền nhiệt

- Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của hai lưu thể đều không thay đổi theo cả vị trí không gian và thời gian nghĩa là hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là một hằn

1 Trường nhiệt độ và Gradien nhiệt độ (15 phút)

Trường nhiệt độ: Tập hợp tất cả các giá trị của nhiệt độ trong vật thể, trong môi trường tại một thời điểm nào đó

Mặt đẳng nhiệt: Tập hợp tất cả các điểm có cùng một giá trị nhiệt độ tại một thời điểm

Gradien nhiệt độ: Sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến với bề mặt đẳng nhiệt là lớn nhất, kí hiệu Grad

Gradt là một vectơ có phương trùng với phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, có chiều là chiều tăng nhiệt độ - ngược với chiều của dòng nhiệt, có độ lớn bằng đạo hàm của nhiệt độ theo phương pháp tuyến

2 Nhiệt đối lưu:

Quá trình truyền nhiệt trong môi trường lỏng và khí chủ yếu bằng dòng đối lưu

Quá trình vận chuyển nhiệt từ chất lỏng hay chất khí tới tường hoặc ngược lại gọi là quá trình cấp nhiệt Dòng đối lưu được phân ra hai dạng đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức

Đối lưu tự nhiên là sự chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí do sự chênh lệch khối lượng riêng của các phần tử chất lỏng hoặc chất khí ở các điểm có nhiệt độ khác nhau

Đối lưu cưỡng bức là sự chuyển động của chất lỏng hoặc khí do có tác dụng cơ học bên ngoài như

khuấy hoặc bơm

Trong đối lưu cưỡng bức, quá trình trao đổi nhiệt mãnh liệt hơn đối lưu tự nhiên

II Truyền nhiệt:

- Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ lưu thể này sang lưu thể khác qua bức tường ngăn gọi là truyền nhiệt do đó truyền nhiệt bao gồm cả dẫn nhiệt, cấp nhiệt và bức xạ nhiệt

- Truyền nhiệt đẳng nhiệt xảy ra trong trường hợp nhiệt độ của hai lưu thể đều không thay đổi theo cả vị trí không gian và thời gian nghĩa là hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể là một hằng số ở mọi vị trí và thời gian

+ Truyền nhiệt biến nhiệt ổn định: Là hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể chỉ biến đổi theo vị trí nhưng

không biến đổi theo thời gian, và chỉ xảy ra đối với quá trình làm việc liên tục

+ Truyền nhiệt biến nhiệt không ổn định: Là trường hợp hiệu số nhiệt độ giữa hai lưu thể có thể biến

đổi theo cả vị trí không gian và thời gian, Và chỉ xảy ra trong các quá trình làm việc gián đoạn

1 Tỏa nhiệt:

- Tỏa nhiệt là hiện tượng các phân tử trên bề mặt vật rắn và chạm vào các phần tử chuyển động có

hướng của một chất lỏng tiếp xúc với nó để trao đổi động năng Tỏa nhiệt xẩy ra tại vùng chất lỏng hoặckhí tiếp xúc với mặt vật rắn, là sự kết hợp giữa dẫn nhiệt và đối lưu trong lớp chất lỏng gần bề mặt tiếp xúc Chuyển động có hướng (đối lưu) của chất lỏng có thể được sinh ra một cách tự nhiên, khi nó chịu tác động của trọng lực và độ chênh nhiệt độ, hoặc do các lực cưỡng bức khác, khi ta dùng bơm, quạt cường độ tỏa nhiệt, nh- sẽ được khảo sát trong chương 10, tỷ lệ thuận với hệ số tỏa nhiệt a [w/m2K], và được tính theo công thức Newton:

q= a (tw - tf)= a? t

Trong đó? t là hiệu số nhiệt độ bề mặt và chất lỏng

2 Trao đổi nhiệt bức xạ:

- Trao đổi nhiệt bức xạ là hiện tượng các phân tử vật 1 bức xạ ra các hạt, truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ, mang năng lượng đến truyền cho các phân tử vật 2

Khác với hai phương thức trên, trao đổi nhiệt bức xạ có thể xẩy ra giữa hai vật ở cách nhau rất xa, khôngcần sự tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua môi trường chất lỏng và khí, và luôn xây ra với sự chuyển hóa giữa năng lượng nhiệt và năng lượng điện từ Đây là phương thức trao đổi nhiệt giữa các thiên thể trong

vũ trụ, chẳng hạn giữa mặt trời và các hành tinh Trên hình (8.1.3) minh hoạ các phương thức trao đổi nhiệt

- Quá trình trao đổi nhiệt thực tế có thể bao gồm 2 hoặc cả 3 phương thức nói trên, được gọi là quá trình trao đổi nhiệt phức hợp Ví dụ, bề mặt vật rắn có thể trao đổi nhiệt với chất khí tiếp xúc nó theo phương thức toả nhiệt và trao đổi nhiệt bức xạ

3 Trường nhiệt độ:

Để mô ta phân bố nhiệt độ trong không gian theo thời gian, ta dùng khái niệm tr-ờng nhiệt độ

Tr-ờng nhiệt độ là tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ tức thời trong khoảng thời gian đang xét của mọi điểm trong hệ vật khảo sát

Giá trị nhiệt độ tức thời tại mỗi điểm trong không gian đ-ợc xác định duy nhất nh- một đại l-ợng vô hớng, do đó, tr-ờng nhiệt độ là một tr-ờng vô h-ớng

Biểu thức của tr-ờng nhiệt độ mô ta luật phân bổ nhiệt độ, cho phép xác định giá trị nhiệt độ tức thời tại thời điểm t theo tọa độ (x,y,z) của một điểm bất kỳ trong hệ:

III Đối lưu nhiệt:

K/n: quá trình đối lưu nhiệt là quá trình đổi chổ cho nhau từ vùng có nhiệt độ này sang vùng có nhiệt độ khác và chỉ xảy ra đối với lưu chất

là chất lỏng không hấp thụ khí

1.2 Làm nguội gián tiếp:

- Quá trình truyền nhiệt giữa chất cần làm nguội và chất làm nguội được tiến hành qua tường ngăn trong thiết bị trao đổi nhiệt tác nhân làm nguội được dùng nhiều nhất là nước và không khí Nếu nhiệt độ cần phải đạt thấp hơn từ 150 ÷300C thì ta dùng tác nhân có nhiệt độ thấp như nước muối lạnh

- Cấu tạo thiết bị làm nguội giống như thiết bị đun nóng, nhưng khi tiến hành quá trình làm nguội cần phải chú ý đến việc chọn chiều lưu thể vì cả hai lưu thể cùng thay đổi nhiệt độ

- Nếu dùng nước để làm nguội thì lấy t2c ≤ 400÷500C

2 Ngưng tụ :

- Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi hoặc khí sang trạng thái lỏng, quá trình này có thể tiến hành bằng hai cách:

+ Làm nguội hơi hoặc khí

+ Nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời

2.1 Ngưng tụ trực tiếp (60 phút)

- Ngưng tụ trực tiếp, hay gọi là ngưng tụ hỗn hợp, tức là cho nước và hơi tiếp xúc trực tiếp với nhau Hơi cấp ẩn nhiệt ngưng tụ cho nước và ngưng tụ lại Nước lấy nhiệt của hơi nước nóng lên, cuối cùng tạo thành hỗn hợp chất lỏng đã ngưng tụ với nước

- Nguyên tắc cơ bản trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là ta phun nước vào trong hơi, hơi tảo ra ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại

- Để tăng hiệu quả quá trình ta cần phải có bề mặt tiếp xúc lớn Vì thế người ta thường cho nước phun qua những vòi phun hoặc cho chảy qua nhiều tấm ngăn có lỗ nhỏ

- ưu điểm năng suất cao, cấu tạo đơn giản và dễ dàng chống ăn mòn

- Tuỳ theo cách làm việc của thiết bị mà ta chia ra hai loại;thiết bị loại ướt và loại khô:

+ Thiết bị loại ướt, chất lỏng ngưng tụ, nước làm nguội, khí không ngưng được dẫn ra cùng một đường bằng bơm

+ Thiết bị loại khô, thì nước ngưng và nước làm nguội được dẫn chung một đường, còn khí không ngưng được hút ra theo một đường khác

+ Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô xuôi chiều

Ưu điểm của thiết bị này là gọn nhẹ

Nhược điểm năng suất tương đối nhỏ

Thiết bị này thường dùng trong trường

hợp nước tháo ra còn được đưa đi sử

dụng lại

+Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều (tb ngưng tụ barômét)

Ưu điểm:nước tự chảy ra được không cần bơm nên tốn ít năng lượng Năng suất

cao Trong công nghiệp hoá chất thiết bị này được dùng trong hệ thống cô đặc

nhiều nồi

Nhược điểm:Thiết bị cồng kềnh

2.2 Ngưng tụ gián tiếp :

- Ngưng tụ gián tiếp, hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt, nghĩa là quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi

và nước qua tường ngăn trong thiết bị trao đổi nhiệt Hơi được ngưng tụ trên bề mặt trao đổi nhiệt

- Trong các thiết bị ngưng tụ gián tiếp, thường người ta cho hơi và nước đi ngược chiều nhau,

nước làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở sự chuyển động của

lưu thể, hơi đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy tự do đi ra ngoài dễ dàng

C Cấu tạo các thiết bị trao đổi nhiệt

1 Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

1.1.Loại vỏ bọc :

- Thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ bọc gồm: vỏ ngoài được ghép chắc chắn

với vỏ thiết bị bằng mặt bích (hoặc hàn liền), giữa hai lớp vỏ tạo thành

khoảng trống kín, chất tải nhiệt sẽ vào khoảng trống đó để thực hiện đun

nóng hoặc làm nguội

- Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị Thông thường các loại thiết bị vỏ bọc ngoài có bề mặt truyền nhiệt không quá 10m2, và áp suất làm việc của hơi đốt không quá 10at 1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống

1.2.1 Ống xoắn :

- Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống xoắn là một trong những thiết bị đơn giản nhất, nó gồm những ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gấp khúc Hoặc các ống uốn cong theo hình ren ốc gọi là ống xoắn ruột gà

- Thiết bị ống xoắn có ưu điểm là chế tạo đơn giản có thể làm bằng vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm tra và sửa chữa ; Nhược điểm là cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt bên ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống

- Đối với chất lỏng cho đi trong ống thì ta cho đi từ dưới lên để ống xoắn luôn chứa đầy, còn hơi nước dùng trong truyền nhiệt ta cho đi từ trên xuống để tránh va đập thuỷ lực.Tốc độ chuyển động trong ống khoảng 0,5 1m/s 

1.2.2 loại ống tưới (15 phút)

- Loại này thường dùng để làm lạnh và ngưng tụ, chất lỏng phun bên ngoài thường là nước Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ ống trên xuống ống dưới rồi chảy vào máng Trong trao đổi nhiệt sẽ có khoảng từ 1-2% lượng nước đưa vào tưới bị bay hơi, khi bay hơi nó sẽ lấy một phần nhiệt từ chấttải nhiệt nóng ở trong ống do đó lượng nước dùng làm nguội ở thiết bị này ít hơn so với các thiết bị làm nguội khác, mật độ nước tưới trong khoảng từ 200 1500 lít/h trên một mét chiều dài ống trên cùng của dãy

- Ưu điểm: lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch bên

ngoài ống và dễ sửa chữa thay thế

- Nhược điểm: Cồng kềnh, lượng nước không tưới đều trên toàn bộ bề mặt ống

1.2.3 Loại ống lồng ống :

- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống gồm nhiều đoạn ống nối tiếp nhau, mỗi đoạn có haiđoạn ống lồng vào nhau, ống trong của doạn này nối với ống trong của đoạn khác, và ống ngoài của đoạn này nối với ống ngoài của đoạn khác

- Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn, chế tạo đơn giản

- Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống

1.2.4 Loại ống chùm (15 phút)

Thiết bị này được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hoá chất vì có ưu điểm

là cơ cấu gọn nhẹ, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn gồm vỏ hình trụ, hai đầu

hàn với hai lưới ống (vỉ ống), các ống truyền nhiệt được ghép chắc chắn kín vào

lưới ống Đáy và nắp được nối với vỏ bằng mặt bích có bu lông bích kín Trên

vỏ, nắp và đáy có cửa (nối ống) để dẫn chất tải nhiệt Chất tải nhiệt I đi vào đáy

dưới qua các ống từ dưới lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II đi từ

cửa trên của vỏ vào khoảng không giữa ống và vỏ rồi ra phía dưới

V TỔNG KẾT BÀI

- Làm nguội là một quá trình vô cùng quan trọng và thường gặp trong quá trình hóa học Bài học cung cấp cho chúng ta về nguồn nhiệt và các phương pháp làm nguội

- Tháo nước ngưng có ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình ngưng tụ

1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có gân (cánh tản nhiệt) (15 phút)

- Khi truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt mà hệ số cấp nhiệt một phía rất nhỏ so với phía kia thì ta cần

phải tăng bề mặt truyền nhiệt ở phía có hệ số cấp nhiệt nhỏ để tăng hiệu quả truyền nhiệt bằng cách

thêm các gân lên trên bề mặt truyền nhiệt

- Khi đun nóng không khí hoặc khí bằng hơi nước bão hoà thì cấp nhiệt từ hơi đến bề mặt truyền nhiệt

11600 w/m2 độ, còn từ bề mặt ra không khí 5, 8 -58 w/m2 độ nghĩa là , khi đó ta gắn thêm gân ở Thiết bị

truyền nhiệt ống có gân thường có hai kiểu đó là kiểu gân dọc và gân ngang Trong trường hợp truyền nhiệt

giữa hai chất khí nghĩa là hệ số cấp nhiệt từ hai phía đều nhỏ thì người ta cấu tao gân ở cả hai phía và thường

có dạng hình kim gọi là thiết bị truyền nhiệt hình kim

1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (15 phút)

- Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm gồm nhiều xếp lên một khung đở bên trong có các khe rãnh để lưu chất

chuyển động Xung quanh các tấm truyền nhiệt đều có gờ và đệm bích kín Chiều dày của một tấm thường

trong khoảng 0,5 3 mm và các  khe hở trên tấm thường vào khoảng 1,5 5 mm Diện tích bề mặt 1 tấm

vào khoảng 0,03 1,5 m 2 tùy thuộc vào kích thước thiết bị nhưng tỷ lệ giữa chiều dài và chiều rộng nằm trong

khoảng 2 3 Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị dao động rất lớn, có khi chỉ là 0,03m 2 nhưng có

lúc lên đến 1500 m2 Tốc độ lưu lượng lớn nhất thường được giới hạn là 2500 m3/h

- Trên góc của các tấm truyền nhiệt đều có lổ và khi ghép lại với nhau chúng tạo thành đường ống Trên

các tấm đều có gờ nổi nhằm làm tăng độ bền và diện tích bề mặt truyền nhiệt

2 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt (15 phút)

- Chọn cấu tạo thiết bị: quá trình trao đổi nhiệt được tốt ta thường chọn chế độ chuyển động của chất lỏng ở chế độ chảy rối, với chất lỏng thì vận tốc 0,1 1m/s  không quá 3m/s, đối với chất khí thì 2 20m/s 

- Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình

- Xác định lượng nhiệt và lượng chất trao đổi nhiệt

1.2 Ứng dụng của quá trình bay hơi (cô đặc) (10 phút)

- Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch

- Tách chất rắn hoà tan ở dạng rắn (kết tinh)

- Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất) 1.3 Các phương pháp cô đặc (25 phút)

 Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn liên tục Khi cô đặc gián đoạn dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục giữ nguyên mức chất lỏng không đổi trong quá trình và khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu sẽ lấy

ra hết rồi tiếp tục cho dung dịch mới vào để cô đặc tiếp

 Khi cô đặc liên tục trong thiết bị cô đặc nhiều nồi thì dung dịch được đưa vào liên tục và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục Trong quá trình cô đặc có thể tiến hành ở áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật

22

 Cô đặc ở áp suất thường thì thiết bị để hở

 Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch giảm do đó chi phí hơi đốt giảm và hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch giảm do đó diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm, cô đặc chân không cho phép cô đặc dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hoá, đường hoá, nhựa hoá)

 Cô đặc ở áp suất cao chỉ xảy ra trong các nồi cô đặc đặt trước đối hệ thống cô đặc nhiều nồi

2 Cô đặc một nồi

2.1 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn (15 phút)

 Cô đặc một nồi thường làm việc theo 2 phương pháp sau:

o Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu;

o Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ xung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra và thực hiện một mẻ mới

2.2 Cô đặc một nồi liên tục (30 phút)

 Dung dịch đầu từ thùng chứa 1 được bơm đưa lên thùng cao vị 3, sau đó chảy qua lưu lượng kế 4 vào thiết bị đun nóng 5, ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi rồi đi vào thiết bị cô đặc 6 thực hiện quá trình bốc hơi Hơi thứ và khí không ngưng đi lên phía trên đỉnh thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng tụ 9 từ dưới lên

 Trong thiết bị ngưng tụ nước lạnh phun từ trên xuống tiếp xúc với hơi thứ và hơi thứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng cùng với nước lạnh chảy qua ống bazômét

11 ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt 10 vào bơm chân không rồi ra ngoài Dung dịch sau khi cô đặc được bơm 7 vận chuyển ra ở đáy thiết bị đi vào bồn chứa 8

23

2.3 Tính toán thiết bị cô đặc một nồi

2.3.1 Cân bằng vật chất (45 phút)

 Gđ, Gc - lượng dung dịch lúc đầu và lúc cuối, kg/h 

W - lượng hơi thứ tách ra, kg/h

 xđ, xc - nồng độ đầu và cuối, % khối lượng

 Trong quá trình bốc hơi coi chất hoà tan không bị mất mát theo hơi thứ, khi đó phương trình cần bằng vật liệu trong thiết bị cô đặc (cho cả quá trình liên tục và gián đoạn) như sau: Gđ = G

 tđ, tc, : Nhiệt độ của nhập liệu vào, sản phẩm ra và 

của nước ngưng, 0C

 Qtt : Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh kj/h

 Cđ, Cc, Cn: nhiệt dung riêng của dung dịch lúc đầu,

cuối và nước ngưng, kj/kg độ

25

 Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng, lượng nhiệt vào bằng lượng nhiệt ra Nhiệt vào:

Dung dịch đầu mang vào: GđCđ tđ, kj/h Hơi

tc, sau đó tách ra W (kg nước để bay hơi) lượng nhiệt là W Cn  và lượng nhiệt dodung dịch cuối mang ra :

 Để tăng năng suất cô đặc và giảm lượng hơi đốt tiêu hao ta cần phải đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi tc trước khi cho vào nồi cô đặc (tđ = tc) bằng thiết bị truyền nhiệt như vậy sẽ rẻ tiền hơn Khi đó công thức trở thành

 Ta nhận thấy rằng, mẫu số trong công thức chính là nhiệt hóa hơi của hơi đốt r, đồng thời nếu quá trình cô đặc tiến hành ở điều kiện áp suất làm việc và áp suất của hơi đốt như nhau thì: D=W

 Như vậy đối với cô đặc một nồi thoả các điều kiện như ta đã phân tích thì để làm bay hơi một kg hơi thứ sẽ cần một kg hơi đốt Thực tế phải tính đến lượng nhiệt mất mát nên lượng hơi đốt tiêu hao riêng sẽ là 1,1 1,2 kg cho một kg hơi thứ 2.3.3 Bề mặt truyền nhiệt (30 phút)